数字孪生技术在冻土‑地源热泵耦合系统运维中的应用研究

【资料简介】

数字孪生技术在冻土‑地源热泵耦合系统运维中的应用研究

摘要

冻土区地源热泵属于地下隐蔽工程，地下埋管换热状态、冻土地层温度变化无法直观感知，传统运维手段难以识别地层热失衡、埋管故障隐患。本文将数字孪生BIM技术引入寒区地源热泵运维；介绍北京鸿鸥成运2D/3D数字孪生软件平台，以及配套地温、流量、压力前端物联网硬件；构建冻土‑地埋管换热系统虚实映射模型；基于实测监测数据驱动虚拟模型动态更新，实现地层温度场可视化仿真、埋管换热故障识别、冻土融化风险智能预警；结合寒区示范项目验证平台应用效果，为冻土条件下地源热泵智慧运维提供全新技术路径。

关键词：数字孪生；BIM；多年冻土；地源热泵；虚实映射；智慧运维；热风险预警

0 引言

寒区冻土条件下地源热泵系统，地下换热过程全部埋藏于地下，运维人员无法直接观察地下冻融状态。传统运维模式主要关注机组设备运行工况，对于地下地层冻土融化、热失衡等隐患，往往等到出现建筑沉降、换热效率明显衰减之后才被发现，风险发现严重滞后。

随着物联网、数字孪生技术发展，通过传感器采集真实物理实体运行数据，映射到虚拟三维模型，实现虚实同步，成为地下隐蔽工程智慧运维的重要技术方向。数字孪生平台将换热井、地层冻土、热泵机组全部纳入三维可视化模型，把离散传感器监测数据转化为直观的温度场云图，预判冻土融化发展趋势。北京鸿鸥成运仪器设备有限公司开发面向地热冻土工程的2D/3D数字孪生平台，实现前端硬件采集设备与仿真软件一体化配套。本文围绕该平台在冻土‑地源热泵耦合系统当中的应用开展研究。

1 冻土‑地源热泵系统数字孪生构建难点

普通地源热泵数字孪生多应用于内地非冻土区域，冻土条件下存在特殊技术难点。

第一，介质相变非线性。冻土存在冻结‑融化相变过程，岩土热物性参数随温度剧烈变化，仿真模型不能采用固定导热系数参数。

第二，多物理场耦合。涉及流体换热、岩土热传导、冻融相变多场耦合，模型计算复杂度高。

第三，多源异构数据融合。需要同步接入分层地温、流量、压力、机组启停状态多类传感器数据。

第四，风险评价逻辑复杂，不仅要评价设备故障，更要评价冻土融化、融沉地质环境风险。

因此不能直接套用普通地源热泵数字孪生方案，需要针对冻土冻融相变特征做模型适配优化。

2 整套数字孪生系统总体架构

整套系统分为感知层、传输层、平台孪生层、应用业务层四级架构。

感知层：采用北京鸿鸥成运HO系列硬件，分层地温测温电缆、流量压力传感器、机组状态采集模块，部署于换热井、观测孔与热泵机房，采集地层温度、管路换热参数。

传输层：485‑Modbus总线、NB‑IoT无线传输，将现场实时数据上传云端服务器。

平台孪生层：平台内置2D平面视图、3D三维BIM模型，完成物理实体与虚拟模型虚实映射；导入地层勘察地质剖面，还原冻土、冻融夹层地层分布；接入实时监测数据驱动模型动态更新；内置冻融相变计算模块，完成地层温度场仿真推演。

业务应用层：实现可视化展示、设备故障诊断、冻土融化风险分级预警、历史数据回溯、趋势预测、报告自动导出等功能。

3 平台核心功能实现

3.1三维场景可视化还原

在三维模型当中还原建筑、热泵机房、全部换热井、地温观测孔空间位置，导入地质勘察资料，直观展示地层分布、冻土分布范围。各类传感器点位在模型当中直观标记，点击点位即可查看实时、历史监测曲线。

3.2地层温度场动态云图渲染

基于各个钻孔分层地温实测数据，通过空间插值算法，生成地下地层温度场云图。直观展示0℃冻融界面位置，在三维模型中直观看到冻土融化圈扩张、收缩动态变化，把地下看不见的冻融过程实现可视化。

3.3故障与风险智能判别

平台设置双重判别逻辑：一方面识别硬件故障，例如传感器断线、采集终端离线；另一方面开展地质风险判别，根据地温数据判断冻土融化状态，划分普通提醒、黄色预警、红色告警三级风险。当出现大面积冻土融化风险，平台弹窗告警、推送消息给运维管理人员。

3.4工况推演预测

结合历史监测数据，可模拟不同机组运行工况下未来地层温度演化，模拟长期大负荷供暖条件下冻土融化发展趋势，为运维人员调整运行策略提供仿真推演依据。

4 示范工程应用效果

将该数字孪生平台部署于青藏高原冻土区地源热泵示范项目。平台接入全部地温观测孔、换热管路传感器数据。运维人员不需要到达高原现场，远程就可以查看地下温度场云图，直观看到夏季回热阶段换热井周边冻土融化范围，冬季回冻过程。

项目运行期间，平台识别出一次观测孔传感器线缆接触不良故障，及时推送告警，现场人员及时处理，避免无效数据持续记录。同时结合仿真推演，提示项目存在轻微地下热失衡风险，运维单位调整机组运行制度，降低连续高负荷运行时长，减小冻土扰动。

对比传统纯数据表格、曲线查看模式，数字孪生可视化大幅降低冻土地热工程数据分析门槛，非专业技术人员也可以快速理解地下冻融风险。

5 现存不足与优化方向

冻土数字孪生平台仍然存在部分局限，仿真精度高度依赖传感器测点密度；测点数量有限情况下，空间插值会带来一定仿真误差。后续可以结合地质勘察成果，不断校正模型岩土热物性参数；增加土体变形监测数据接入，实现温度‑变形多参数耦合孪生，同时兼顾热风险与融沉变形风险评价。

6 结论

（1）数字孪生BIM技术可以有效解决冻土区地源热泵地下过程不可视的痛点，实现换热设备、冻土地层的虚实映射与动态可视化。

（2）北京鸿鸥成运2D/3D数字孪生平台，配套自有物联网采集硬件，实现感知‑仿真‑预警一体化，适配冻土冻融相变特殊工况。

（3）平台可以实现冻土融化风险分级预警、工况仿真推演，辅助运维人员科学调控热泵运行，降低地源热泵开发对多年冻土的扰动。

（4）冻土数字孪生仿真精度受测点密度、岩土参数影响，工程应用中应当保证足够监测点位，结合勘察资料持续校正模型。

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硬件装备（北京鸿鸥成运HO系列）

模块化分层测温电缆；PT1000高精度地温探头；316L/钛合金防腐传感器；野外低功耗NB‑IoT RTU；太阳能野外供电套件；铠装耐低温线缆；一体化地热监测控制柜；485 Modbus采集模块；井下高清成像探测系统

软件&数字孪生方向

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地热管理系统（geothermal management system）是为实现地热资源的可持续开发而建立的管理系统。

我司深井地热监测产品系列介绍：

1.0-1000米单点温度检测（普通表和存储表）／0-3000米单点温度检测（普通显示，只能显示温度，没有存储分析软件功能）

2.0-1000米浅层地温能监测（采集器采用低功耗、携带方便；物联网NB无线传输至WEB端B/S架构网络；单总线结构，可扩展256个点；进口18B20高精度传感器，在10-85度范围内，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多点深层地温监测（采用分布式光纤测温系统细分两大类：1.井筒测试 2.井壁测试）

4.0-2000米NB型液位／温度一体式自动监测系统（同时监测温度和液位两个参数，MAX耐温125摄氏度）

5.0-7000米全景型耐高温测温成像一体井下电视（同时监测温度和视频图片等）

6. 微功耗采集系统／遥控终端机——地热资源监测系统浅层／地热管理系统（可在换热站同时监测温度／流量／水位／泵内温度／压力／能耗等多参数内容，可实现物联网远程监控，24小时无人值守）

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